JP4075794B2 - 中継端末の省電力化方法、アドホックネットワークシステムおよび中継端末 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信機能を持ちアドホックネットワークに参加する通信端末を省電力化するための技術に関する。

無線通信技術の発展にともない、オフィス通信環境の無線化や公共の場における無線通信サービスが普及している。これらの無線通信環境は、無線LANのアクセスポイントを設置し、そのアクセスポイントを介して既存のネットワークに接続、通信を行うことを目的とする。一方、アクセスポイント等の通信インフラを必要とせず、ノード間同士でネットワークを構築して通信するという、いわゆるアドホックネットワークの議論が標準化団体等において盛んになされている。

アドホックネットワークは、無線通信機能をもつPDA（Personal Digital Assistant）、携帯電話、ノートPC等の様々なノードによって形成されるネットワークである。通信を行うノード同士は、互いに無線通信が可能である領域内、即ち無線通信波が到達可能な領域内にいる場合に通信できるのみならず、直接無線通信波が届かない領域にいる場合でも他のノードが中継することで通信が可能となる。

アドホックネットワークでは、通信を中継するために経路情報の交換を行わなければならない。アドホックネットワークにおいて、ノードA、B、Cの３つのノードがある場合について説明する。ノードAとノードBは無線通信機能を用いて互いに直接通信が可能とし、同様に、ノードBとノードCは直接通信が可能であるとする。これに反して、ノードAとノードCは互いに無線通信波の到達範囲外におり直接通信できないとする。この場合、ノードAとノードCが互いに通信を行うためには、ノードBがパケットを中継することが必要であるが、それと同時にノードBがパケットを中継することで互いに通信可能であるということをノードA及びノードCが知らなければならない。そのため、ノードBは定期的もしくはノードAやノードCの要求に応じて不定期的に、自身が中継することによってノードA、ノードCが互いに通信可能であることをノードA及びノードCに通知する。

このようにしてアドホックネットワーク内では経路情報が交換され、無線通信波の到達範囲外にいるノードとの通信ができるようになる。

上記の経路情報の交換が定期的に行われるものをプロアクティブなアドホックネットワークと呼び、データ通信を始めるときに初めて経路情報を交換するものをリアクティブなアドホックネットワークと呼ぶ。プロアクティブなアドホックネットワークでは、定期的にネットワークの経路情報を交換するため、各ノードは互いのノードへの経路情報を予め保持する。

アドホックネットワークでは、上記のような仕組みを用いて他の端末を中継して通信することができるが、互いの経路情報を交換するために中継する端末は常に動作していなければならない。しかしながら、端末を散布することによってアドホックネットワークを拡張することを考えた場合、他の端末からのパケットを中継する以外の役割を果たさないバッテリ駆動の中継専用の端末を用意することが考えられる。中継用の端末が他の端末からのパケットを中継するか、しないかは、端末の位置や電波状況やアドホックネットワークのルーティングアルゴリズムに依存するが、全体のネットワークを長時間動作させるためには、中継に使われない端末ではサスペンド等の機能により消費電力を抑えておき、他の端末がバッテリ切れ等の要因により、自身が中継に必要となった場合にのみ通常通り動作することが望ましい。

従来知られている省電力化技術には、特許文献１に記載の技術がある。

特開2002-135195号公報

特許文献１に記載の技術では、無線通信装置がデータを送信する際に、最も近い距離にある無線通信装置、又はデータ送信元からの電波状態が最も良い無線通信装置、又は現在のデータ処理能力状態が最も高い無線装置を検出する。そして、検出した無線通信装置を経由してデータを送信することで、送信のための消費電力を極力抑える。

上記技術で、抑えられる電力量は送信時の送信電力の差分でしかない。

したがって、送信電力の差分のみならず、無線通信デバイスのデータ送信電力、待ち受けのための電力、また端末自体が動作するための電力をも削減することによる更なる省電力化が望ましい。

本発明は、ネットワークに接続された通信端末を省電力化するものであって、自端末が前記ネットワークに接続された他の端末のパケットを転送する必要性の有無を判定し、必要がない場合には自端末を省電力化するために自端末の一部機能を停止する技術を提供する。

また、本発明は、複数の通信端末からなるアドホックネットワークシステムにおいて、複数の通信端末のうち、通信に必要ない通信端末は暫時一部機能を停止することにより省電力化することで、動作時間の延長を図る技術を提供する。通信に必要な他の端末がバッテリ切れ等の要因により動作停止しても、今まで機能停止していた端末が、代わって動作するため、ネットワーク全体の動作時間が延長されることを期待できる。

本発明によれば、ネットワークの構成に必要がない端末は、自らの一部機能を停止して省電力化を図ることができ、ひいてはネットワーク全体の動作時間を延長することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態であるアドホックネットワーク構成例の図である。

図１において、１０１は無線通信デバイスを備えたPC等の情報処理装置(以下、PCという)である。１０２は無線通信デバイスを備えたPDA等の情報処理装置(以下、PDAという)である。この両者が互いに通信を行う通信端末である。１０１及び１０２は互いの無線通信波が十分な強度で届かないほど距離が離れており、その間の通信を可能とするために中継用の通信端末(以下、中継端末、または単に、端末という)１１１，〜１１８を配置している。図中の端末間の線は、両端の端末が互いに直接無線通信可能であることを示している。

このネットワークにおいて、互いに直接無線通信することが可能な組は、PC１０１と端末１１１、PC１０１と端末１１５、端末１１１と端末１１５、端末１１１と端末１１２、端末１１１と端末１１６、端末１１５と端末１１２、端末１１５と端末１１６、端末１１２と端末１１６、端末１１２と端末１１３、端末１１２と端末１１７、端末１１６と端末１１３、端末１１６と端末１１７、端末１１３と端末１１７、端末１１３と端末１１４、端末１１３と端末１１８、端末１１７と端末１１４、端末１１７と端末１１８、端末１１４と端末１１８、端末１１４とPDA１０２、端末１１８とPDA１０２である。これらのノードすなわち、PC１０１、PDA１０２、端末１１１〜１１８ではアドホックネットワークルーティング機能が動作しており、定期的もしくは通信の必要がある場合等に非定期的に、端末間の経路情報交換と経路計算が行われている。

図２に、端末１１１の内部構成を示す。端末１１１は、CPU２０１、メモリ２０２、無線通信デバイス２０３、クロック２０４を搭載しており、CPU２０１とクロック２０４はバスなどの内部通信線で接続されている。また、CPU２０１、メモリ２０２、無線通信デバイス２０３も互いにバスなどの内部通信線で接続されている。図１に示した他の端末についても内部構成は同様である。

以下に述べる各処理は、個々の端末のメモリ２０２に格納されたプログラムがCPU２０１によって実行されることにより、それぞれの端末上で実現されるものである。各プログラムは、あらかじめメモリ２０２に格納されていても良いし、必要に応じて、各端末が利用可能な、着脱可能な記憶媒体やネットワークまたはネットワーク上を伝搬する搬送波を介して、メモリ２０２に導入されても良い。

図１に示したアドホックネットワークにおいて、端末を省電力化するための第一の実施形態について説明する。

図１のネットワークにおいて、PC１０１とPDA１０２間の通信経路は、アドホックネットワークのルーティングアルゴリズムに依存して様々な経路をとりうるが、ここでは両方向ともに端末１１１、１１２、１１３、１１４を経由しているものとする。

このとき、PC１０１とPDA１０２間の通信のために端末１１５、１１６、１１７、１１８は不要であるため、通信機能を停止して省電力化を図ることができる。このときの各端末１１５の動作例を、図３、図６に基づき説明する。

図３は、中継端末上で動作する省電力化プロセスのフローを示している。このプロセスは中継端末のブート時にアドホックネットワークルーティングプロセスの起動を検知して、自動的に開始する（ステップ３０１。以下、ステップをＳと記す）ように設定しておく。このプロセスは開始したのちにスリープ（Ｓ３０２）する。このスリープの時間はルーティングプロトコルによって異なるが、少なくとも自端末が、上記アドホックネットワークに接続している他の全端末から、ルーティングプロトコルを介して認識されるために必要な時間、言い換えると当該端末が中継端末として利用できることを他の端末が認識するまでの、あらかじめ設定された時間、スリープする。
次に、通信端末のIPアドレスを取得するために、以下に説明する構成定義ファイル４０１を読み込み、通信端末テーブル５００で示す情報をメモリ上に保持する（Ｓ３０３）。

構成定義ファイル４０１の例を図４に示す。構成定義ファイル４０１は、予めユーザアプリケーションが動作する通信端末として定義されている通信端末ごとにその端末名とIPアドレスが記されているもので、あらかじめ各中継端末に格納されている。図４の例では、PC１０１の端末名とIPアドレスおよびPDA１０２に端末名とIPアドレスが記されているが、一般的に通信端末数は任意である。

次に通信端末テーブル５００の例を図５に示す。５０１の列は通信端末名を表す。５０２の列は通信端末のIPアドレスを表す。

Ｓ３０３において、構成定義ファイル４０１を読み込むことにより、通信端末テーブル５００内にPC１０１および１０２のための２つのエントリが追加される。通信端末名として、「PC１０１」（５１０）および「PDA１０２」（５２０）が登録され、それのIPアドレスとして、「A.B.C.D」（５１１）および「E.F.G.H」（５２１）が登録される。

省電力化プロセスでは、生成された通信端末テーブル５００を参照し、記載されている通信端末に対して経路確認要求６００を送信する（Ｓ３０４）。この例では、PC１０１及びPDA１０２に対して、それぞれ送信する。

通信端末経路確認要求６００のパケットフォーマットを図６に示す。図６ではネットワーク層以上のヘッダについて示す。６０１はIPヘッダであり、送信元IPアドレスとして、本実施例では、端末１１５のIPアドレスが記載されている。また、送信先IPアドレスとして、PC１０１宛の経路確認要求６００パケットにはPC１０１のIPアドレスが記載されており、PDA１０２宛の経路確認要求６００パケットにはPDA１０２のIPアドレスが記載されている。

６０２はUDPヘッダであり、送信元ポート番号は任意、送信先ポート番号は通信端末の経路応答プロセスで指定された番号に設定されている。６０３はデータ部であり、具体的には、６０４のIDと６０５の確認対象アドレスリストの２つがある。６０４のIDは、経路確認要求６００のパケットを一意に識別するためのもので、一意に識別できる任意の値が付与されている。また、６０５は確認対象となるIPアドレスを列挙したものである。例えば、PC１０１に送られる経路確認要求６００パケットの確認対象アドレスリスト６０５には、PC１０１以外の通信端末のIPアドレス、つまりPDA１０２のIPアドレスである10.1.1.2が記載されている。

次に、PC１０１が他の端末からの経路確認要求６００を受信した場合の動作について、図７に基づいて説明する。PC１０１では、端末起動時に開始（Ｓ７０１）された経路確認プロセスが、経路確認要求６００の受信待ちを行う（Ｓ７０２）。ここで、経路確認要求６００を受信すると、経路確認要求元の端末を経路として使用しているかどうかについてチェックする（Ｓ７０３）。この例の場合、PC１０１が、PDA１０２と通信するために、端末１１５を使用するか否か、について判断する。

この判断を行う方法には、様々なものがある。

一つはICMPエコー要求を送信するパケットのIPヘッダオプションとして経路記録オプションを設定して送信する方法である。このようにすることで、PC１０１からPDA１０２までの通信経路として、IPアドレスのリストを取得することが可能である。また、他の方法には、SNMPによるルーティングテーブルの取得がある。例えばこの場合、PC１０１自身のルーティングテーブルから、PDA１０２へのネクストホップが端末１１１であることがわかるため、次に端末１１１のルーティングテーブルをSNMPで取得する。取得したルーティングテーブルから、端末１１１からPDA１０２へのネクストホップが端末１１２であることがわかる。この処理をPDA１０２に行き着くまで繰り返すことで、PC１０１からPDA１０２への通信経路を取得することが可能である。

これらの方法のいずれかにより通信経路を取得した後、経路確認要求元のIPアドレスが含まれているかどうかを調べる。（Ｓ７０４）。Ｓ７０４で調べた結果を経路確認要求元に通知するために、PC１０１は、経路確認応答８００パケットを端末１１５に送信する。

図８に経路確認応答８００のパケットフォーマットを示す。図８ではネットワーク層以上のヘッダについて示す。８０１はIPヘッダであり、本実施例では、送信元IPアドレスとして、PC１０１のIPアドレスが記載されており、送信先IPアドレスとして、端末１１５のIPアドレスが記載されている。８０２はUDPヘッダであり、送信元ポート番号には経路応答プロセスで指定された番号に設定された番号が設定され、送信先ポート番号には端末１１５が送信した経路確認要求６００パケットの送信元ポート番号と同じ値が記載されている。８０３はデータ部であり、具体的には、８０４のIDと８０５の通信経路としての利用有無の２項目がある。８０４のIDは、どの経路確認要求６００パケットに対する応答かを識別するためのもので、先ほど受信した経路確認要求６００パケットと同一の値が付与されている。また、８０５は経路確認要求６００を送信した端末に対して、その端末が通信経路として利用されているか否かを通知するためのものである。この例では、端末１１５は、PC１０１からPDA１０２への経路に含まれないため、通信経路としての利用は「有」として通知される。

この経路確認要求６００パケットを受け取った端末の動作を、再び図３を用いて説明する。

Ｓ３０５でパケット受信待ちし、通信端末に対して送信した経路確認要求６００パケットに対する応答を全て受け取ると、次に自らが通信経路として使用されているかどうかを判定する（Ｓ３０６）。いずれかの通信端末に通信経路として使用されている場合、省電力化することはできないと判定し、スリープして（Ｓ３０７）一定時間休眠したのち、再びＳ３０４に戻り、通信端末に対して経路確認要求６００を送信する処理（Ｓ３０４）に戻る。本実施例では、端末１１５はいずれの端末にも通信経路として使用されていないため、省電力化することが可能であると判定し、引き続き省電力化処理に移る。

省電力化処理では、例えば無線インターフェースの停止や、端末本体をサスペンドすることなどが可能である。本実施例では、端末本体をサスペンドする場合について説明する。

まず、ルーティングプロセスを停止する（Ｓ３０８）。ルーティングプロセスは、ルータとしての存在表明（Helloパケットの送信）や、経路情報の交換等を行うものである。停止すると、当該端末からHelloパケットが出なくなるため、他の端末から中継端末として認識されなくなり、経路として使用されなくなる。
次にクロック２０４に対して、一定時間のサスペンド後に復旧動作を行うためのタイマを設定し（Ｓ３０９）、その直後にサスペンド（Ｓ３１０）する。

クロック２０４からのトリガによって、サスペンドモードから復旧すると、再度ルーティングプロセスを起動する（Ｓ３１１）。次に、Ｓ３０２と同様、一定時間スリープする（Ｓ３１２）。この間、アドホックネットワークのルーティングプロセスは動作し続けており、再び通信経路の計算が行われる。本プロセスはスリープ（Ｓ３１２）から復帰した後にＳ３０４に戻ることで、再度経路として使用されているかどうかの判定を行い、経路として使用されていない場合には、またサスペンドすることとなり、端末１１５はサスペンド（Ｓ３１０）している時間、省電力化できることになる。

このようにすることで、図１の端末１１１〜１１４は通信経路として使い続けられるために、端末１１５〜１１８よりも電力消費量は多くバッテリ電力が早く失われる可能性が高い。一方、端末１１５〜１１８はよりバッテリが長持ちするとともに、順次PC１０１とPDA１０２間の通信経路として切り替わっていくため、PC１０１および１０２間のネットワーク接続を長持ちさせることが可能となる。

第二の実施例は、アドホックネットワークのルーティングアルゴリズムの特性を生かして省電力化するための方法である。

アドホックネットワークのルーティングプロトコルには、アドホックネットワーク機能をもつ端末が、他端末のパケット転送に関与するか否かのステータスを自分自身で管理するものがある。例えば、OLSR（Optimized Link State Routing）がそれであり、自端末がパケット転送に関与する場合、その端末はMPR（MultiPoint Relay）というステータスにある。そのため、ステータスがMPRであるか否かという情報を用いて、省電力可能かどうかを判定することができる。

この判定するための省電力化プロセスについて図９を用いて説明する。このプロセスでは、第一の実施例における省電力化プロセスと似た処理を行う。図９において、Ｓ３０１およびＳ３０２は図３と同様である。Ｓ３０２のスリープの後、Ｓ９０１でMPRか否かについて判定を行う。ステータスがMPRである場合は、通信経路として使用される可能性があるため、第一の実施例の省電力化プロセス同様スリープ（Ｓ３０７）して、一定時間後に９０１の判定に戻る。

ステータスがMPRでない場合、通信経路として仕様される可能性はないため、第一の実施例の省電力化プロセスと同様に、Ｓ３０８〜Ｓ３１２の処理を行い、一定時間のスリープ（Ｓ３１２）の後、Ｓ９０１の判定に戻る。

以上のように、第二の実施例では、通信経路の確認のためのパケットをやりとりすることなく端末の省電力化を図ることができる。

第一の実施形態を適用するアドホックネットワークの構成図である。 アドホックネットワークを構成する端末のハードウェア構成図である。 第一の実施形態の省電力化プロセスの処理フローを示す図である。 第一の実施形態の省電力化プロセスの構成定義ファイルを示す図である。 第一の実施形態の省電力化プロセスによって作成される通信端末テーブルを示す図である。 第一の実施形態の経路確認プロセスにおいて送信されるパケットのフォーマットである。 第一の実施形態の経路確認プロセスの処理フローを示す図である。 第一の実施形態の経路応答プロセスから送信されるパケットのフォーマットである。 第二の実施形態の省電力化プロセスの処理フローを示す図である。

符号の説明

１０１：PC、１０２：PDA、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８：端末

Claims (7)

1. ユーザアプリケーションが動作する複数の通信端末と、前記通信端末が通信する通信パケットを中継する中継端末と、により構成されるネットワークに接続する中継端末における省電力化方法であって、
   自中継端末が前記ネットワークに接続された他の複数の通信端末間で送信または受信されるパケットを転送する必要性の有無を判定するステップと、
   必要がないと判定した場合には自中継端末の通信機能の一部を停止するステップと、
   を備え、
   前記判定するステップは、前記ネットワークに接続されている通信端末に対して、当該通信端末が行う通信のために構成される通信経路中に、自中継端末が含まれているかを問い合わせ、その問い合わせ結果により、前記パケットを転送する必要性の有無を判定することを特徴とする省電力化方法。
2. 請求項１に記載の省電力化方法であって、
   所定時間の省電力化状態の後、通常の動作状態に戻り、自中継端末の通信機能を活動状態とするステップと。
   前記判定するステップを再実行するステップと、
   前記判定するステップにおいて、必要があると判定した場合は、自中継端末の通信機能の活動状態を維持し、必要がないと判定した場合には、再び自中継端末の通信機能の一部を停止するステップと、
   を備えることを特徴とする省電力化方法。
3. 請求項１に記載の省電力化方法であって、
   前記問い合わせを受信した通信端末が、前記他の通信端末に対して経路を記録するためのエコー要求パケットを送信し、そのエコー要求パケットに対するエコー応答を受信することで、前記他の通信端末への通信経路情報を取得するステップ
   を備えることを特徴とする省電力化方法。
4. 請求項１に記載の省電力方法であって、
   前記問い合わせを受信した通信端末が、前記他の通信端末への通信経路情報を取得するために、複数の中継端末に対して通信経路表の情報を再帰的に問い合わせることで、前記他の通信端末への通信経路情報を取得するステップ
   を備えることを特徴とする省電力化方法。
5. 請求項１に記載の省電力化方法であって、
   前記判定するステップは、当該自中継端末が実行するアドホックネットワークのルーティングプロトコルで定義されるステータス情報を取得し、前記取得結果から当該自中継端末がパケットを転送する必要性の有無を判定することを特徴とする省電力化方法。
6. 複数の通信端末と複数の中継端末からなるアドホックネットワークシステムであって、
   前記複数の中継端末のうちいずれかの中継端末は、
   前記ネットワークに接続された他の前記複数の通信端末間で送信または受信されるパケットを転送する必要性の有無を判定する処理部と、
   必要がないと判定した場合には自中継端末の通信機能の一部を停止する処理部と、
   を備え、
   前記判定する処理部は、前記通信端末に対して、前記通信端末が行う通信のために構成される通信経路中に、自中継端末が含まれているかを問い合わせ、その問い合わせ結果により、前記パケットを転送する必要性の有無を判定することを特徴とするアドホックネットワークシステム。
7. 複数の通信端末と複数の中継端末からなるアドホックネットワークシステムを構成する前記中継端末であって、
   前記ネットワークに接続された他の前記複数の通信端末間で送信または受信されるパケットを転送する必要性の有無を判定する処理部と、
   必要がないと判定した場合には自中継端末の通信機能の一部を停止する処理部と、
   を備え、
   前記判定する処理部は、前記通信端末に対して、前記通信端末が行う通信のために構成される通信経路中に、自中継端末が含まれているかを問い合わせ、その問い合わせ結果により、前記パケットを転送する必要性の有無を判定することを特徴とする中継端末。

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